JP2023512805A - 熱交換器ユニット、エネルギー移送装置、冷却器並びにヒートポンプの作動温度を安定化及び／又は制御及び／又は調整する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一つの熱量効果材料要素を備えた少なくとも一つの熱交換器ユニットの循環プロセス型システムの作動温度の安定化及び／又は制御及び／又は調整のための装置に関する。重要なのは、冷却流体を使用して、熱量効果材料要素（１１、１２）の基本温度が制御されることである。さらに、本発明は熱交換器ユニット、冷却器及びヒートポンプに関する。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の循環プロセス型システム、請求項９のプリアンブルに記載の循環プロセス型システムのための熱交換器ユニット、請求項１６のプリアンブルに記載のエネルギー移送装置、請求項１７のプリアンブルに記載の冷却装置、並びに請求項１８のプリアンブルに記載のヒートポンプの、作動温度を安定化及び／又は制御及び／又は調整する方法に関する。

従来技術では、冷却器、ヒートポンプ又は熱機関のような循環プロセス型システムでは、相互作用により対応する領域でその温度を変える、熱量効果材料を使用することが公知である。例えば独国特許出願公告第１０２０１４０１０４７６（Ｂ３）号明細書では、熱量効果材料、この場合は磁気熱量材料を使用したヒートパイプをベースにした空調装置が記述されている。同様に独国特許出願公開第１０２０１５１２１６５７（Ａ１）号明細書では、メカノカロリック材料を使用した循環プロセス型システムの運転方法が公知である。

ここでは規則的に初期状態が連続する作動流体の周期的な状態変化の結果としての、熱力学によるサイクルプロセスが公知である。このようなサイクルプロセスの例は、ヒートポンプ又は冷却器のように仕事を投入することによる加熱及び／又は冷却、又は例えば熱機関のように熱エネルギーを仕事に変えることなどである。

上述のように、従来技術では、そのようなサイクルプロセスで熱量効果材料を使用することが公知である。このような熱量効果材料は、対応する適切な領域の影響範囲でその温度を変える。「熱量効果材料」という概念に含まれるのは、例えば電気熱量材料、磁気熱量材料、及びメカノカロリック材料である。

電気熱量材料は、電場の影響範囲内で、電気モーメントの配向及びそれと結びついているエントロピー減少又は強誘電相と常誘電相との間の結晶格子変換により、その温度が変化する。磁気熱量材料は、磁場の影響範囲において磁気モーメントの配向及びそれと結びついているエントロピー減少又は強磁性相と常磁性相との間の結晶格子変換により、その温度が変化する。メカノカロリック材料（弾性熱量材料、圧力熱量材料、又は形状記憶合金としても知られる）は、機械的応力の負荷によって該材料に温度変化を招来する結晶相転移が起こる。これは、通例、高温相（オーステナイト）と低温相（マルテンサイト）との間の結晶格子変換である。

上述の熱量効果材料の作用は、通常可逆的であり、逆にも働く。メカノカロリック材料では、温度変化に応じて材料の形状変化及び／又は体積変化が引き起こされ得る。磁気熱量材料では、温度変化に応じて強磁性相から常磁性相へ、又はその逆へ、材料内で変化が引き起こされ得る。電気熱量材料では、温度変化に応じて強磁性相から常磁性相へ、又はその逆へ、材料内で変化が引き起こされ得る。

したがって、上記循環プロセス型システム内には、エネルギー又は熱の移送及び／又は転換のために熱量効果材料を組み込むことが可能である。加えて、従来技術では、顕熱による、特に液体ポンプを使用した熱移送による搬出は、比較的損失が大きいために、満足のいくシステム効率や出力密度が得られないことが知られている。むしろ、熱は潜熱によって伝達される。その際、熱量効果材料は、通常、高温側タンクと低温側タンクに接続された流体回路内の熱交換器として配置される。流体と熱交換器の間の伝熱は、潜熱によって行われる。熱伝達の効率性は、潜熱（すなわち作動流体の気化熱と凝縮熱）を使った熱伝達の実現により、ポンプで作動するシステムと比較すると有意に向上する。

システムの効率を上げるために、熱量効果材料を周期的に加熱及び冷却する。熱流はサイクル周波数と共に理想的な直線で増加する。上記熱流は、アクティブ又はパッシブ流体バルブとして仕上げられた熱ダイオードを介して調整される。パッシブチェックバルブの使用は公知である。

この場合、熱量効果材料が通過するプロセスは、基本的に可逆的である。しかし実際には、すべての熱量効果材料は、例えばヒステリシス効果により、サイクル運転中に自己発熱を示す。いずれの相変化においても、それによって場エネルギーが失われ、熱に変換され、熱量材料が平均して加熱される。例えば、自己発熱には、上述のヒステリシス効果、特にメカノカロリック材料が概念として含まれるが、摩擦又は特に電気熱量、磁気熱量及び複合熱量材料は、誘導性加熱、静電容量性加熱、及び／又は抵抗性加熱があり、これらは場変化によって生じた充電電流及び／又は渦電流によって、熱量効果材料内だけでなく別の要素内でも誘発され、それによって直接又は間接的に熱量効果材料要素を加熱する。熱量効果材料の基本温度、つまり場暴露なしの温度が上昇する。

先行技術の装置及び方法の欠点は、従来技術では熱量効果材料の基本温度が、上述の自己発熱によって上昇することである。この材料加熱により、作動時間が増大すると、作動温度は熱量効果材料の理想的な作動温度から離れていく。熱量効果材料要素内に熱が残存し、それに伴って熱量効果材料内で温度が上昇すると、先行技術のシステムの動作周波数の効率的な上昇を妨げる。

独国特許出願公告第１０２０１４０１０４７６（Ｂ３）号明細書 独国特許出願公開第１０２０１５１２１６５７（Ａ１）号明細書

したがって、本発明の課題は、従来公知の装置及び方法と比較して高い効率を有する循環プロセス型システムの運転方法、熱交換器ユニット及び装置を提案することである。

本課題は、請求項１に記載の温度安定化及び／又は制御及び／又は調整のための方法により、及び請求項９に記載の熱交換器ユニットにより、及び請求項１６に記載のエネルギー移送装置により解決される。本発明による方法の好ましい実施形態は、請求項２～８に記載したとおりである。本発明による熱交換器ユニットの好ましい実施形態は、請求項１０～１５に記載したとおりである。さらに、本発明による課題は、請求項１７に記載の冷却装置、及び請求項１８に記載のヒートポンプにより解決される。これにより、すべての請求項の文言は、参照により明細書中に明示的に含まれることになる。

本発明による方法は、好ましくは本発明による装置及び／又は装置の好ましい実施形態を使用して実施するために形成される。本発明による装置は、好ましくは本発明による方法及び／又は本発明による方法の好ましい実施形態を実施するために形成される。

循環プロセス型システム作動温度の安定化及び／又は制御のための、本発明による方法は、それ自体周知のように、熱量効果材料を使用した熱交換器ユニットを有する循環プロセス型システムにより実施される。

重要なのは、冷却流体を使用して、熱量効果材料要素の基本温度が制御されることである。

本発明は、基本温度を安定化又は所望の基本温度に制御及び／又は調整することによって、熱量効果材料を使用した熱交換器ユニットを有する循環プロセス型システムの効率は有意に上昇し得るという、出願人の知見に基づいている。

本明細書の範囲において「熱量効果材料要素」という用語は、部分的に又は完全に熱量効果材料から作られた要素であると理解される。上記熱量効果材料要素は、熱交換器として形成され得る。

本明細書の範囲では、基本温度は、熱量効果材料の所望の作業温度、すなわち、場暴露なしの所望の温度である。

本方法は、冷却器によるエネルギー移送にも、ヒートポンプによるエネルギー移送にも、熱機関内での熱のエネルギー変換にも適している。熱量効果材料として、メカノカロリック材料、電気熱量材料、磁気熱量材料が使用され得る。

本発明による方法は、循環プロセス型システムを運転するために、作動流体のための高温側タンク及び低温側タンク及び少なくとも一つの流体チャンバを備えた循環プロセス型システムを使用して実施される。上記システムは、気化器範囲と凝縮器範囲とを備え、上記作動流体のために形成されており、少なくとも一つの熱量効果材料要素を備えた少なくとも一つの熱交換器ユニットを有しており、その際、上記熱量効果材料は上記流体チャンバ内で上記作動流体と間接的に又は直接的に作用接続して配置され、上記熱量効果材料と上記熱量効果材料要素と上記作動流体との間の伝熱は、潜熱伝達により実行される。

本方法は以下の工程を含んでいる。
Ａ 電場及び／又は磁場及び／又は機械的応力場をアクティブにし、その結果、上記熱量効果材料は少なくとも一時的に上述の電場及び／又は磁界及び／又は機械的応力場との相互作用が停止される、
Ｂ 上記作動流体が上記熱量効果材料を、手順工程Ａで誘発された上記熱量効果材料の第一の温度変化によって基本温度を超えて加熱することで気化する、
Ｃ 上記作動流体を上記高温側タンクへ搬出し及び上記作動流体を凝縮器範囲で凝縮し、その際、熱は気化した上記作動流体の潜熱を使用して移送される、
Ｄ 上記凝縮した作動流体が上記凝縮器範囲から上記気化器範囲へ逆移送される、
Ｅ 電場及び／又は磁場及び／又は弾性場を非アクティブにする、
Ｆ 第二の、上記熱量効果材料の基本温度以下への、逆の温度変化、
Ｇ 上記作動流体を上記低温側タンクから上記流体チャンバへ給送し、その際、熱は気化した上記作動流体の潜熱を使用して上記気化器範囲から上記流体チャンバ内に移送される。

重要なのは、冷却流体を使用して、上記熱量効果材料要素の基本温度が制御又は調整されることである。

これにより、上記熱量効果材料内に熱が生じるか又は伝達され、上記熱量効果材料から搬出され得るという利点が開示される。したがって、上記熱量効果材料は、安定して基本温度に保たれ、該温度は好ましくは上記熱量効果材料の理想的な作動温度と同じである。

その上、上記熱量効果材料要素に一つだけでない基本温度に保つことも同様に可能である。むしろ、冷却流体を使用して、上記熱量効果材料要素の上記作動温度が、すなわち一つの選択された規定基本温度が、設定され得る。この温度変動は、上記熱量効果材料が場に暴露されることによって変動し、さらに上記規定基本温度の周辺を変動する。

熱量効果材料は、材料に応じて理想的な作動温度（規定基本温度、基本温度）を示している。熱量材料は、熱量効果の生じる温度範囲が限定的である。この温度帯はワーキングウィンドウとして公知である。上記ワーキングウィンドウは、通常電気熱量材料及びメカノカロリック材料では非常に幅が広く（通常１００Ｋ未満）及び磁気熱量材料では非常に狭い（ケルビン）。上記ワーキングウィンドウの状況は基本的に材料に応じて異なり、材料組成又は合金成分によって調節され得る。本発明によれば、上記プロセスの作動温度が選択的に設定され得るという利点がある。

本発明の好ましい一実施形態では、上記方法は、好ましくは１Ｈｚを超える周波数サイクルで、特に好ましくは１０Ｈｚを超える周波数サイクルで、さらに好ましくは１Ｈｚと１００Ｈｚの間の周波数サイクルで、繰り返され、特に複数回繰り返される。

本発明の別の好ましい一実施形態では、上記方法は複数の流体チャンバ、特に複数の直列に接続された流体チャンバを有する循環プロセス型システムにより実施される。上記作動流体は、直列に接続された流体チャンバを通って流れる。上記作動流体の温度が各流体チャンバによって変更されるため、上記流体チャンバの上記熱量効果材料が上記作動流体の各温度に適合されると有意義である。かかる一方法及びかかる一装置は、例えば独国特許出願公開第１０２０１５１２１６５７（Ａ１）号明細書に記述されている。この実施形態は、ここで広範囲に参照される。

別法として、複数の流体チャンバが並列に接続され得る。このような並列に接続した流体チャンバ配置は、熱回生のために装置内に取り付けられ得る。

通常、高温側タンクと流体チャンバとの間に少なくとも一つの高温側バルブが備えられ、低温側タンクと流体チャンバとの間に少なくとも一つの低温側バルブが備えられている。上記バルブは好ましくはパッシブバルブとして動作し、熱ダイオードとして、すなわち配向された熱伝達によって、システムの作動を可能にする。記述されているように、上記システムは作動流体のために気化器範囲及び凝縮器範囲を備えて形成される。気化器範囲及び凝縮器範囲は、分離した範囲として、好ましくは高温側タンク及び低温側タンクの形で形成され得る。しかし、独立した範囲も備えられ得る。特に複数の直列に接続された流体チャンバの場合、熱交換器ユニットの熱量効果材料は、気化器範囲として及び凝縮器範囲として作用する。上記流体は、上記低温側タンク又は上流側の流体チャンバから気化状態で上記流体チャンバに流入し、及び熱量効果材料製の上記熱交換器ユニットで凝縮する。上記熱量効果材料が加熱されることで凝縮した流体が気化し、上記流体チャンバ内の圧力が上昇し、及び上記流体が上記高温側バルブを介して隣接する流体チャンバへ流れ、そこで熱量効果材料製の熱交換器ユニットにおいてと同様に凝縮される。繰り返されるこのプロセスにより、上記流体は直列に接続されたすべての流体チャンバを通って上記高温側タンクに到達する。そこから上記流体は流体返送系を通って上記低温側タンクへと戻される。

本発明の好ましい一実施形態では、上記冷却流体を使用して、上記熱量効果材料要素の基本温度が上記熱量効果材料の理想的な作動温度に適合される。特に複数の流体チャンバが直列又は並列に接続されている場合、直列に接続された流体チャンバの各熱量効果材料要素の基本温度が、各流体チャンバの上記熱量効果材料のそれぞれ理想的な作動温度に適合されると有利である。配向された熱伝達によって上記作動流体は上記流体チャンバを通過することでその温度を変える。基本温度の制御又は調整によって上記各熱量効果材料要素はシステム効率を格段に向上させ得る。

本発明のさらに好ましい一実施形態では、作動流体用流体循環系及び冷却流体用流体循環系は空間的に分離されており、特に上記作動流体と上記冷却流体は二つの分離された流体回路内を循環する。

このことにより、上記冷却流体を選択する際に上記作動流体循環系内の流体に限定されないという利点が生じる。上記作動流体循環系内の流体は、上記冷却流体循環系内の流体とは無関係に選択され得る。さらに、上記作動流体循環系内には圧力及び／又は温度のパラメータを上記作動流体循環系とは無関係に設定し得る。

本発明の好ましい一実例では、上記冷却流体は熱量効果材料製の熱量効果材料要素を通って送られる。好ましくは、上記冷却流体は少なくとも一つのチャンネルを通って上記熱量効果材料要素に送られる。このことにより、簡単な方法で冷却流体と熱量効果材料要素の熱量効果材料とが作用関係をもたらし得、その結果、熱接触が生じて熱が熱量効果材料から搬出されるという利点が生じる。その際、熱量効果材料要素のチャンネル内の冷却流体と熱量効果材料要素外表面の作動流体とを分離することが保証される。

本発明の別法の一実施形態では、作動流体は冷却流体として使用される。特に好ましくは、そのために上記作動流体の上記流体返送系が上記高温側タンクから上記低温側タンクまで使用され得る。

好ましくは熱量効果材料が電場及び／又は磁場及び／又は機械的応力場に暴露され、その際、弾性場が機械的応力の形で上記熱量効果材料内に引き起こされ、好ましくは熱量効果材料の引張負荷及び／又は圧縮負荷によって熱量効果材料の剪断及び／又は圧縮が生じ、その際、熱量効果材料引張負荷及び／又は圧縮負荷によって熱量効果材料の温度変化が引き起こされ、及び／又は電動凝縮器を使用して上記電場が生成され、その際、上記電場によって熱量効果材料の温度変化が引き起こされ、及び／又は上記磁場が永久磁石によって生成され、好ましくは可動永久磁石によって生成され、その際、上記磁場によって熱量効果材料の温度変化が引き起こされる。このことにより、簡単な方法で熱量効果が誘導される。

好ましくは、作動流体及び／又は上記冷却流体の移送手段は、特にコンプレッサの形で、機械的応力場を生成するための手段によって生成されたストロークによって駆動される。

このことにより、機械的応力場の生成によるエネルギーを冷却流体及び／又は作動流体を駆動又は移送に使用され得る。

上記低温側タンクの乾燥を避けるため、配向された熱伝達のために作動流体が気化器としての上記低温側タンクから凝縮器としての上記高温側タンクの方へ移送されるので、熱量効果材料を備えた循環プロセス型システムは、通常上記高温側タンクから上記低温側タンクへ戻る流体返送系を備えている。上記流体は高温側にある凝縮器範囲で凝縮され、流体返送系を使用して低温側タンクへ戻される。上記作動流体が上記高温側タンクから上記低温側タンクへ戻される際に、熱量効果のある材料要素付近を通り過ぎて又は上記熱交換器ユニットを通って送られると、作動流体は冷却流体として使用され得る。冷却流体及び熱量効果材料は、このようにして作用関係がもたらされ得る。

この場合、高温側タンクと低温側タンクが取り替えられること及び／又は上記流体返送系が別の熱方向へ案内されることも本発明の範囲である。流体返送系の原理は、方向や温度差とは無関係に、本発明による上記冷却流体のための温度調整として使用される。

上記作動流体を冷却流体として使用する場合、簡単な方法で既存の手段を使用して、上記熱量効果材料要素を冷却し得るという利点が生じる。

同様に、上記熱量効果材料要素が冷却されず、上記冷却流体を使用して選択的に所望の温度に設定されるか又は所望の温度に調整されることも、本発明の範疇にある。名称「冷却流体」及び用語「冷却」は、単に簡略化したものに過ぎない。本発明の範疇では、任意の基本温度が設定されることを意味している。本発明の範疇には同様に、上記流体チャンバの熱量効果材料が所望の基本温度に、特に理想的な作動温度に、加熱されることも含まれる。

本発明の別法として好ましい一実施形態では、上記低温側タンクの流体接続が備えられ、上記冷却流体が上記低温側タンクから上記熱量効果材料要素を通って、又は上記熱量効果材料要素を通り過ぎ、その結果、冷却流体と上記熱量効果材料要素の上記熱量効果材料が作用関係にある。

本発明の別法として好ましい一実施形態では、上記流体返送系に加えて、上記低温側タンクの流体接続が備えられ、上記冷却流体が上記低温側タンクから上記熱量効果材料の上記熱量効果材料要素を通って、又は上記熱量効果材料要素を通り過ぎて上記低温側タンクに導かれ、その結果、冷却流体及び上記熱量効果材料要素の熱量効果材料が作用関係にある。

上述の課題は、同様に、循環プロセス型システム用熱交換器ユニットにより解決される。上記熱交換器ユニットは、それ自体周知の、熱量効果材料製の熱量効果のある要素を含み、その際、上記熱量効果材料が作動流体と接続して配置されており、その結果、作動流体と熱量効果材料との間で熱が伝達可能であり、及び作動流体と熱量効果材料との間の熱伝達が実質的に潜熱伝達（すなわち作動流体の気化熱及び凝縮熱）で行われる。

重要なのは、上記熱交換器ユニットが上記熱量効果材料要素の基本温度を制御又は調整するための調整装置を含んでいることである。

本発明による熱交換器ユニットは、同様に、すでに挙げられた本発明による方法の利点を備えている。同様に、本発明による方法は、本発明による熱交換器ユニットのさらに挙げられたすべての利点を備えている。

考えられる好ましい一実例では、上記調整装置は少なくとも一つの上記冷却流体のための流体チャンネルとして形成される。上記流体チャンネルは上記熱量効果材料と作用関係しながら延びる。好ましくは、上記流体チャンネルは、上記熱量効果材料に沿うように又は上記熱量効果材料を通るように配設される。これにより、簡単な方法で上記冷却流体が上記熱量効果材料と作用関係が可能になる。

本発明の好ましい一実施形態では、熱量効果材料がロッド、好ましくは中空ロッドに形成される。好ましくは複数のロッドが、特に好ましくは２～１００本のロッドが、好ましくは５～５０本のロッドが、特に好ましくは１０本のロッドが上記熱交換器ユニットの一部として配置される。特に好ましくは、ロッドの数と形態は、十分な熱が搬出又は給送され得るように、熱量効果材料の総量に応じて及び表面積と体積の比率に応じて決められる。好ましくは、上記熱交換器ユニットの熱量効果材料製の各ロッドを上記冷却流体用のチャンネルが通っている。

好ましくは、上記冷却流体は、水、アルコール、ブタン、プロパン、ＣＯ２、ＮＨ３又は前述の流体の混合物である。

本発明の好ましい一実施形態では、上記調整装置は上記冷却流体を吐出するための少なくとも一つのポンプ及び／又は少なくとも一つのオリフィスを含んでいる。上記ポンプ及び上記オリフィスは両方とも、好ましくは上記冷却流体のための流体管内に、特に好ましくは上記流体返送系内に配置されている。上記ポンプ及び／又は上記オリフィスを使用して、上記冷却流体の速度が調節され得る。上記冷却流体の速度に基づいて、どれほどの熱量が熱量効果材料要素の熱量効果材料要素から上記冷却流体に伝達されるか、すなわち上記冷却流体がそれほど強く熱量効果材料を冷却するかが制御される。

上記ポンプ及び／又はオリフィスを使用することで簡単な方法で基本温度が制御され得る。

別法の一実施形態では、上記作動流体が冷却流体として使用される。好ましくは、上記循環プロセス型システムの流体返送系は、上記作動流体が上記流体返送系内で上記熱量効果材料と作用関係するように配置され及び形成される。作動流体と冷却流体は、これにより、もはや空間的に分離されていない。むしろ、上記作動流体は上記冷却流体である。このため、作動流体及び冷却流体のためには実質的にただ一つの流体循環系しか備えられていない。その際、流体管の二つの循環系が備えられ得る。しかし、これら二つの循環系は、好ましくは上記高温側タンク及び／又は上記低温側タンクを介して接続されている。上記作動流体は上記低温側タンクから気化し、上記流体チャンバ内で上記熱量効果材料により加熱される。これによって上記作動流体は上記高温側タンクへ流れ、そこで上記凝縮器範囲内で上記作動流体が凝縮される。上記凝縮された作動流体は冷却流体として、上記流体返送系を使用して上記低温側タンクへ戻され、それによって上記作動流体は冷却流体として上記熱量効果材料要素内で上記熱量効果材料と作用関係にある。

このことにより、複雑な形状の流体循環系なしに、基本温度の制御が可能になるという利点が生じる。

本発明の別法の一実施形態では、上記循環プロセス型システムの上記流体返送系が、上記作動流体が冷却流体として、上記流体返送系を使用して熱量効果材料に送られ、その結果、熱量効果材料の表面の使用が上記流体チャンバ内で実施されるように配置及び形成される。したがって、上記冷却流体は熱量効果材料内に導かれない。上記冷却流体は上記流体チャンバ内の熱量効果材料の表面をずっと多く湿潤させる。流体の増加で増えた気化熱により、上記熱量効果材料の温度が調整され得る。上記流体は、ここでは系内で、例えば高温側、低温側又は別のセグメントから送られ得る。上記流体の給送は、能動的に（ポンプ、バルブ）制御され得、又は例えば受動的に誘導される圧力勾配又は重力によって上記流体チャンバ内に導くことも可能である。そのほかに、上記流体供給はプログラミング可能な材料で調整され得る。

熱を最適に搬出するために、追加の流体が熱量材料の表面に分散され、そこで気化することで熱が搬出される。好ましくは、このことが湿潤特性を選択的に適合させることで達成される。湿潤表面特性は表面を化学処理することによって得られる。この効果は、表面に微細構造を加えることで強化し得る。

好ましくは、熱交換器ユニットは上記作動流体のための液体循環系と上記冷却流体のための液体循環系を備え、特に空間的に分離して形成されている。

同様に、本発明による課題は、エネルギー移送装置により解決される。上記エネルギー移送装置は、ヒートポンプ及び／又は冷却装置として作動可能であり、それ自体周知のように、作動流体のための高温側タンク及び低温側タンクを含んでいる。この装置はさらに、流体管を介して上記高温側タンク及び上記低温側タンクと接続されている少なくとも一つの流体チャンバを含んでいる。高温側タンクと流体チャンバの間に少なくとも一つの高温側バルブを備えている。低温側タンクと流体チャンバの間に少なくとも一つの低温側バルブを備えている。上記流体チャンバ内には熱量効果材料を備えた熱量効果材料要素が配置され、その際、上記熱量効果材料は上記作動流体と作用関係にあり、その結果、熱は、作動流体と熱量効果材料との間で潜熱伝達を使って伝達され得る。この装置は、熱量効果材料のための電場及び／又は磁場及び／又は弾性場を生成する手段を有し、その結果、上記熱量効果材料は場の相互作用エリアに配置されている。このような装置の考えられる実例は、例えば独国特許出願公開第１０２０１５１２１６５７（Ａ１）号明細書に記述されている。

重要なのは、上述の装置が上記熱量効果材料要素の基本温度を制御するための調整装置を含んでいることである。

本発明によるエネルギー移送装置は、同じく上述の本発明による装置及び本発明による熱交換器ユニットの利点を示す。エネルギー移送のための本発明による装置は、特に本発明による熱交換器ユニットの使用及び／又は本発明による熱交換器ユニットの好ましい実施形態に適している。

同様に、本発明による課題は、熱交換器ユニットを備えた冷却装置又はヒートポンプにより解決され、その際、上記熱交換器ユニットは上記熱量効果材料を備えた熱量効果材料要素を含む。上記熱量効果材料は作動流体と作用関係して配置され、その結果、作動流体と熱量効果材料との間で熱伝達が可能であり、その際、作動流体と熱量効果材料との間の熱伝達は実質的に潜熱伝達で行われる。

重要なのは、上記ヒートポンプ又は上記冷却装置が上記熱量効果材料要素の基本温度を制御又は調整するための調整装置を含んでいることである。

本発明による方法および本発明による熱交換器ユニットは、基本的に、第一の温度を有するタンクから第二の温度を有するタンクへ、熱が移送される使用に好適である。したがって、本発明による方法および本発明による熱交換器ユニットは、好ましくはヒートポンプ又は冷却器として形成されるか、又はヒートポンプ又は冷却器内に配置される。

特に有利な、考えられる実例は、空調装置、特に冷房装置及びエアコンディショナである。公知の冷房装置及びエアコンディショナは通常コンプレッサを使用しており、冷媒が必要である。この冷媒は、周知のように気候や環境にとって有害であり、引火しやすく、さらには健康に害がある。このような理由から、熱量効果材料を備えた上述のシステムを使用した冷却は、コンプレッサを使用したシステムの代替として興味深い。不都合には、従来技術ではすでに公知のこのシステムは比較的効率が低い。この効率は、本発明による温度安定化により上昇する。

本発明のさらなる好ましい特徴及び実施形態は、実施例及び図を参照して以下に説明される。

熱交換器ユニットの内部フローを有する本発明の第一の実施例の模式図である。 熱交換器ユニットの内部フローを有する本発明の第二の実施例である。 熱交換器ユニットの内部フローを有する本発明の第三の実施例である。 熱交換器ユニットの表面湿潤を有する本発明の第四の実施例の模式図である。 冷却システムの形の、本発明の第六の実施例の模式図である。

図１～図５中において、同一もしくは機能的に同一の要素には同一の符号が付されている。

図１は、第一の実施例として、本発明による冷却器の模式図である。当該冷却器１は、作動流体のための高温側タンク２及び低温側タンク３を備えて形成されている。本実施例では作動流体として水が使用される。上記低温側タンクは本実施例では温度は５°Ｃ、及び支配圧力は８ｍｂａｒである。上記高温側タンク２は本実施例では温度は３５°Ｃ、及び制御圧は５５ｍｂａｒである。

低温側タンク３及び高温側タンク２の間に二つの流体チャンバ４、５が備えられている。上記第一の流体チャンバ４は流体管６を介して上記低温側タンク３と接続されている。低温側タンク３と第一の流体チャンバ４の間には上記流体管６内に低温側バルブ７が配置されている。上記低温側バルブ７はチェックバルブとして形成される。

上記第二の流体チャンバ５は流体管８を介して上記高温側タンク２と接続されている。高温側タンク２と第二の流体チャンバ５の間には上記流体管８内に高温側バルブ９が配置されている。上記高温側バルブ９はチェックバルブ１０として形成される。

上記第一の流体チャンバ４及び上記第二の流体チャンバ５は、同様にチェックバルブ１０で互いに接続されている。上記第一の流体チャンバ４内及び上記第二の流体チャンバ５内にはそれぞれ一つの熱量効果材料要素１１、１２が配置されている。上記熱量効果材料要素１１、１２は、本実施例ではメカノカロリック材料、特殊なニッケル・チタン合金、Ｎｉ５５．８Ｔｉ４４．２から形成される。

上記熱量効果材料要素１１、１２の上記熱量効果材料を通って、本実施例ではチャンネル１３、１４が延びている。上記チャンネルを通って当該冷却流体が上記熱量効果材料要素１１、１２の基本温度の安定化及び／又は制御のために給送される。したがって、上記冷却流体は上記熱量効果材料要素１１、１２を貫流する。

高温側タンク２と低温側タンク３の間には流体返送系１５が配置されている。上記流体返送系１５内にはオリフィス２３が備えられている。したがって、上記冷却装置１は上記作動流体のための第一の流体循環系１６を有している。上記作動流体のための上記流体循環系１６は、上記低温側タンク３、上記第一の流体管６、上記第一の流体チャンバ４、上記第二の流体チャンバ５、上記第二の流体管８、上記高温側タンク２及び上記流体返送系１５を含んでいる。上記流体循環系１６は圧密系として形成されており、実質的にすべての異種ガス（すなわち上記作動流体を例外とするすべてのガス）が圧密系から除外される。

上記流体循環系内では、既述したように、上記低温側タンク３と上記第一の流体チャンバ４との間に上記低温側バルブ７が、及び上記高温側タンクと上記第二の流体チャンバ５との間に上記高温側バルブ９が配置されている。本実施例では上記低温側バルブ７と上記高温側バルブ９は圧力制御バルブとして形成される。上記両方のバルブが開く際のその都度の差圧は調整可能であり、本実施例では約１ｍｂａｒである。

上記作動流体のための上記第一の流体循環系１６に加えて、上記冷却流体のための第二の流体循環系１７が備えられている。上記第二の流体循環系１７内には上記冷却流体の流れを制御するためのポンプ１８が備えられている。

上記第二の流体循環系１７は、上記高温側タンク２から上記ポンプ１８を介して上記第一の流体チャンバ４へ延びる。上記第一の流体チャンバ４内には、上記第二の流体循環系１７が上記第一のチャンネル１３を通って上記第一の熱量効果材料要素１１を通って延びる。これにより、上記第一の熱量効果材料要素１１は内部を上記冷却流体が通って流れる。上記流体循環系１７は、さらに上記第二の流体チャンバ５へ延びる。ここで上記第二の流体循環系は上記第二のチャンネル１４で上記第二の熱量効果材料要素１２を通って延びる。これにより、上記第二の熱量効果材料要素１２は内部を上記冷却流体が通って流れる。上記第二の流体循環系１７は、さらに上記高温側タンク２へ戻る。上記第二の流体循環系１７はこれにより、上記高温側タンク２を介して上記第一の流体循環系１６と接続された流体循環系である。上記第一の流体循環系１６の上記作動流体は、これにより上記第二の流体循環系１７の上記冷却流体として使用される。

上記ポンプ１８を使用して、上記冷却流体の速度が制御され得る。速度制御により、どれほどの熱が上記第一の熱量効果材料要素１１と第二の熱量効果材料要素１２から上記冷却流体へ伝達されるかを調整可能であり、その結果、上記両方の熱量効果材料要素１１、１２の基本温度が制御可能である。

図２は、本発明のさらなる実施例として、上記冷却流体のための分離されたタンクを備えた本発明による冷却器の模式図である。

繰り返しを避けるため、以下では図１との相違点のみを説明する。

上記冷却流体と上記作動流体のために、本実施例では二つの分離された液体循環系１６、１９が備えられている。上記作動流体は図１に示されたように流れ、液体循環系１６内を上記低温側タンク３から上記熱量効果のある材料要素１１、１２を経て上記高温側タンク２まで、及び上記流体返送系１５を経て上記低温側タンク３へ戻る。

上記冷却流体のための上記分離した流体循環系１９は、本実施例では上記低温側タンク３又は上記高温側タンク２とは接続されていない。反対に、上記冷却流体のための専用の冷却流体チャンバ２０が備えられている。冷却流体チャンバ２０から、流体管２１が上記熱量効果材料を有する上記熱量効果材料要素１１へ延びる。上記冷却流体は、上記第一の熱量効果材料要素１１で上記チャンネル１３を通って、上記第一の熱量効果材料要素１１の上記熱量効果材料内を流れる。上記第一の熱量効果材料要素１１から上記冷却流体は上記第二のチャンネル１４を経て上記第二の熱量効果材料要素１２へ流れる。上記チャンネル１４はやはり上記熱量効果材料の内部に延びる。上記分離した流体循環系１９を閉じるために、流体管が上記チャンネル１４から冷却流体チャンバ２０へ通じている。

上記流体循環系１９には上記流体管２１内に冷却流体チャンバ２０とチャンネル１３との間にポンプ１８が備えられている。上記ポンプ１８により、上記冷却流体の速度が上記流体循環系１９内で制御され得る。速度については、図１に記載されたように、両方の熱量効果のある材料要素１１、１２の基本温度は制御可能である。

上記冷却流体のための上記分離した流体循環系１９は、これにより空間的に上記第一の流体循環系１６から分離された、上記作動流体のための閉じた流体循環系である。

図３は、本発明のさらなる実施例の模式図である。

上記流体返送系１５は、本実施例では、上記流体返送系１５が上記チャンネル１４を介して上記熱量効果材料要素１２を通り、及び上記チャンネル１３を通り、上記熱量効果材料要素１１を通って延びるように形成されている。上記流体返送系１５は、上記高温側タンクから上記低温側タンク３へ延びる。

上記流体返送系１５の上記流体管は、高温側タンク２と上記チャンネル１４との間で上記熱量効果材料要素１２を通るオリフィス２３が備えられている。上記オリフィス２３により、上記冷却流体の速度が調節され得、その結果、上記熱量が上記熱量効果材料要素１２及び１１から上記冷却流体に伝達され、制御され得る。

図４は、上記熱量効果材料の上記冷却流体による表面の湿潤を伴う本発明のさらなる実施例の模式図である。

上記第一の流体循環系１６は、図１及び図２に記述したように、上記流体返送系１５により形成される。

上記高温側タンク２から流体管２４が上記流体チャンバ４、５へ通じている。上記流体管２４は、二つの流体管２４．ａ、２４．ｂに別れ、それぞれ上記流体チャンバ４、５の上記高温側タンクの方を向いた側で終わっている。両方の流体管にはそれぞれ一つのオリフィス２３．ａ、２３．ｂが備えられている。上記流体管２４．ａ、２４．ｂにより、上記熱量効果のある材料要素１１、１２の上記高温側タンク２の方を向いた表面がそれぞれ上記冷却流体で湿潤するように、上記両方の流体チャンバ４、５に上記冷却流体が供給される。上記流体チャンバ４、５内の上記作動流体に加えて使用可能な追加の冷却流体により、より気化が強くなり、及びそれによってより多くの熱が搬出される。これにより、上記熱量効果材料要素１１、１２の温度が調節され得る。

図５は、循環プロセス型システム、本実施例では冷却システムの本発明のさらなる実施例の模式図である。

上記冷却装置は、複数の流体チャンバ、本実施例では５つの流体チャンバを含む。上記流体チャンバ４、５は、中央を囲うように環状に配置されている。上記中央には偏心カム３０が備えられている。例示的に上記流体チャンバ４、５に符号が付けられる。上記流体チャンバ４、５は、チェックバルブを介して互いに接続されている。上記流体チャンバ４、５は、熱量効果材料要素１１、１２を、本実施例ではメカノカロリック材料製の中空ロッドを、備えている。本実施例では複数の流体チャンバ４、５が直列に接続されている。上記偏心カム３０を使用して、上記熱量効果材料要素１１、１２に圧力が加えられる。これによって、上記熱量効果材料要素１１、１２の上記メカノカロリック材料が加熱される。温度変化によって、流体チャンバ４、５内の流体が気化し、上記チェックバルブを通って隣の上記流体チャンバへ流入する。矢印は、作動流体の「運動方向」を示しており、本実施例では反時計回りである。熱もこの方向に移送される。上記作動流体は、直列に接続された流体チャンバ４、５を通って流れる。各流体チャンバ４、５により、上記作動流体の温度が変化する。

温度調整のための装置は、上記熱量効果材料要素１１、１２の温度がそれぞれ理想的な作動温度に上記各流体チャンバ４、５内で調節されるように適合される。

上記流体チャンバ５は、詳細部分図に拡大して示されている。上記流体チャンバ５内には、３つのメカノカロリック材料製の中空ロッドが備えられており、例示的に符号１１、１２が付けられ、それぞれ一つのチャンネルを有し、例示的に符号１３、１４が付けられている。上記流体循環系１７を介して上記冷却流体が上記熱量効果材料を通って流れる。

１ 冷却装置
２ 高温側タンク
３ 低温側タンク
４ 流体チャンバ
５ 流体チャンバ
６ 流体管
７ 低温側バルブ
８ 流体管
９ 高温側バルブ
１０ チェックバルブ
１１ 熱量効果材料要素
１２ 熱量効果材料要素
１３ チャンネル
１４ チャンネル
１５ 流体返送系
１６ 第一流体循環系
１７ 第二流体循環系
１８ ポンプ
１９ 流体循環系
２０ 冷却流体チャンバ
２１ 流体管
２３ オリフィス
２３．１ オリフィス
２３．２ オリフィス
２４．ａ 流体管
２４．ｂ 流体管
３０ 偏心カム

Claims (18)

1. 循環プロセス型システムを運転する方法であって、高温側タンク（２）及び低温側タンク（３）及び少なくとも一つの流体チャンバ（４、５）、作動流体用の気化器範囲及び凝縮器範囲、及び少なくとも一つの熱量効果材料要素（１１、１２）を備えた少なくとも一つの熱交換器ユニットを備え、その際、前記熱量効果材料要素（１１、１２）が前記流体チャンバ（４、５）内で直接又は間接的に前記作動流体と作用関係して配置されており、及び前記熱量効果材料要素（１１、１２）の前記熱量効果材料と前記作動流体との間の熱伝達は潜熱伝達で行われ、以下の手順工程、
   Ａ 電場及び／又は磁場及び／又は機械的応力場をアクティブにし、その結果、前記熱量効果材料は少なくとも一時的に上述の電場及び／又は磁界及び／又は機械的応力場との相互作用が停止される、
   Ｂ 前記作動流体が前記熱量効果材料を、手順工程Ａで誘発された前記熱量効果材料の第一の温度変化によって基本温度を超えて加熱することで気化する、
   Ｃ 前記作動流体を前記高温側タンク（２）へ搬出し及び前記作動流体を凝縮器範囲で凝縮し、その際、熱は気化した前記作動流体の潜熱を使用して移送される、
   Ｄ 前記凝縮した作動流体が前記凝縮器範囲から前記気化器範囲へ逆移送される、
   Ｅ 電場及び／又は磁場及び／又は弾性場を非アクティブにする、
   Ｆ 第二の、前記熱量効果材料の基本温度以下への、逆の温度変化、
   Ｇ 前記作動流体を前記低温側タンク（３）から前記流体チャンバへ給送し、その際、熱は気化した前記作動流体の潜熱を使用して前記気化器範囲から前記流体チャンバ内に移送される、を含む方法において、
   冷却流体を使用して、前記熱量効果材料要素の基本温度が制御又は調整されることを特徴とする、方法。
2. 前記方法が繰り返され、特に、複数の流体チャンバ（４、５）が直列又は並列に接続し、その結果、前記作動流体が前記直列又は並列に接続された流体チャンバ（４、５）を貫流し、及び前記方法が前記直列又は並列に接続した流体チャンバ内の循環を繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記冷却流体を使用して前記熱量効果材料要素（１１、１２）の基本温度が前記熱量効果材料の理想的な作動温度に適合され、特に複数の流体チャンバ（４、５）が直列又は並列に接続され、及び前記直列又は並列に接続された流体チャンバ（４、５）の前記熱量効果材料要素（１１、１２）の基本温度がそれぞれ各前記流体チャンバ（４、５）の前記熱量効果材料の理想的な作動温度に適合されることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
4. 作動流体及び冷却流体が空間的に分離され、特に作動流体及び冷却流体が二つの分離された液体循環系（１６、１７）を循環することを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記冷却流体が前記熱量効果材料要素（１１、１２）を通って導かれ、好ましくは前記冷却流体が少なくとも一つのチャンネル（１３、１４）を通って前記熱量効果材料要素（１１、１２）内に導かれることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記作動流体が冷却流体として使用され、特に前記作動流体の流体返送系が前記高温側タンク（２）から前記低温側タンク（３）へ冷却流体として前記熱量効果材料要素（１１、１２）を通り、又は前記熱量効果材料要素（１１、１２）に沿って導かれ、その結果、冷却流体及び前記熱量効果材料要素（１１、１２）の熱量効果のある材料が作用関係にあり、及び／又は流体接続が前記低温側タンク（３）から冷却流体が前記熱量効果材料要素（１１、１２）を通って又は熱量効果材料要素（１１、１２）に沿って導かれ、その結果、冷却流体及び前記熱量効果材料要素（１１、１２）の熱量効果のある材料が作用関係にあることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記熱量効果材料が電場及び／又は磁場及び／又は機械的応力場に暴露され、その際、前記機械的応力場が機械的応力の形で上記熱量効果材料内に引き起こされ、好ましくは前記熱量効果材料の引張負荷及び／又は圧縮負荷によって、前記熱量効果材料の剪断及び／又は圧縮が生じ、その際、前記熱量効果材料の引張負荷及び／又は圧縮負荷によって前記熱量効果材料の温度変化が引き起こされ、及び／又は電動凝縮器を使用して前記電場が生成され、その際、前記電場によって前記熱量効果材料の温度変化が引き起こされ、及び／又は前記磁場が永久磁石によって生成され、好ましくは可動永久磁石によって生成され、その際、前記磁場によって前記熱量効果材料の温度変化が引き起こされることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記作動流体及び／又は前記冷却流体のための輸送手段が、特にコンプレッサの形で、機械的応力場を生成するための手段によって生成されたストロークによって駆動されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 循環プロセス型システムのための、特にヒートポンプ及び／又は冷却装置及び／又は熱機関のための熱交換器ユニットであって、
   前記熱交換器ユニットが熱量効果材料を備えた少なくとも一つの熱量効果材料要素（１１、１２）を含み、その際、前記熱量効果材料が作動流体と作用関係にあるように配置され、その結果、作動流体と熱量効果材料との間で熱が伝達され、及び前記熱伝達が作動流体と熱量効果材料との間で実質的に潜熱伝達によって行われる熱交換器ユニットにおいて、
   前記熱交換器ユニットが前記熱量効果材料要素の基本温度を制御又は調整するため調整装置を含んでいることを特徴とする、熱交換器ユニット。
10. 前記調整装置が、冷却流体のための少なくとも一つの流体チャンネル（１３、１４）として前記熱量効果材料と作用関係にあり、特に前記熱量効果材料に沿って又は前記熱量効果材料を通って延びるように形成されていることを特徴とする、請求項９に記載の熱交換器ユニット。
11. 前記冷却流体が、水、アルコール、ブタン、プロパン、ＣＯ２、ＮＨ３及び／又は上述の流体の混合であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の熱交換器ユニット。
12. 前記調整装置が、前記冷却流体を吐出するための少なくとも一つのポンプ（１８）及び／又はオリフィス（２３）を含んでいることを特徴とする、請求項９～１１のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
13. 前記作動流体が冷却流体として使用され、特に前記循環プロセス型システムの流体返送系（１５）が、前記作動流体が前記流体返送系（１５）内で前記熱量効果材料と作用関係するように配置され形成されていることを特徴とする、請求項９～１２のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
14. 前記循環プロセス型システムの流体返送系（１５）が、前記作動流体が前記流体返送系（１５）を使用して前記熱量効果材料に案内され、その結果、前記熱量効果材料の表面の湿潤が前記流体チャンバ内で行われるように配置され及び形成されることを特徴とする、請求項９～１３のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
15. 液体循環系（１６）が、前記冷却流体のための前記作動流体及び液体循環系（１７）と、特に空間的に分離して備えられていることを特徴とする、請求項９～１４のいずれか一項に記載の熱交換器ユニット。
16. ヒートポンプ及び／又は前記冷却装置として作動可能なエネルギー移送装置であって、以下、
    作動流体用の高温側タンク（２）及び低温側タンク（３）と、
    流体管（６）を介して前記高温側タンク（２）及び前記低温側タンク（３）と接続されている少なくとも一つの流体チャンバ（４、５）とを含み、
    その際、少なくとも一つの高温側バルブ（９）が高温側タンク（２）及び流体チャンバ（４、５）の間に、及び少なくとも一つの低温側バルブ（７）が低温側タンク（３）及び流体チャンバ（４、５）の間に備えられており、
    及び前記流体チャンバ（４、５）内に熱量効果材料を備えた熱量効果材料要素（１１、１２）が配置され、及び前記熱量効果材料が前記作動流体と作用関係して配置されており、その結果、作動流体と熱量効果材料の間で潜熱伝達を使用して熱が伝達可能であり、
    その際、前記装置が前記熱量効果材料のために電場及び／又は磁場及び／又は機械的応力場を生成するための手段を有し、その結果、前記熱量効果材料が場の相互作用エリアに配置されているエネルギー移送装置において、
    前記装置が請求項９～１５のいずれか一項に記載の熱交換器ユニットを有している、エネルギー移送装置。
17. 熱交換器ユニットを備えた冷却装置であって、その際、前記熱交換器ユニットが熱量効果材料を備えた熱量効果材料要素（１１、１２）を含み、その際、前記熱量効果材料が作動流体と作用関係して配置されており、その結果、作動流体と熱量効果材料との間で熱が伝達可能であり、及び作動流体と熱量効果材料の間の熱伝達が実質的に潜熱伝達を使って行われる冷却装置において、前記熱交換器ユニットが請求項９～１５のうちのいずれか一項に従って形成されていることを特徴とする、冷却装置。
18. 熱交換器ユニットを備えたヒートポンプであって、その際、前記熱交換器ユニットが熱量効果材料を備えた熱量効果材料要素（１１、１２）を含み、その際、前記熱量効果材料が作動流体と作用関係して配置されており、その結果、作動流体と熱量効果材料との間で熱が伝達可能であり、及び作動流体と熱量効果材料の間の熱伝達が実質的に潜熱伝達を使って行われるヒートポンプにおいて、前記熱交換器ユニットが請求項１１～１５のうちのいずれか一項に従って形成されていることを特徴とする、ヒートポンプ。

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